卸壓煤層氣地面井的破壞方式探討

盧軍靈，李淑暢

（晉煤集團(tuán)沁水藍(lán)焰煤層氣有限責(zé)任公司，山西 沁水 048200）

卸壓煤層氣地面井的破壞方式探討

盧軍靈，李淑暢

（晉煤集團(tuán)沁水藍(lán)焰煤層氣有限責(zé)任公司，山西 沁水 048200）

在介紹卸壓開采引起的上覆巖層的移動變形特征的同時(shí)，重點(diǎn)分析了卸壓開采上覆巖層的移動形式，以及在此基礎(chǔ)上分析了卸壓煤層氣地面井的受力情況，并根據(jù)煤層氣井的受力情況進(jìn)一步探討了卸壓煤層氣地面井的主要破壞方式，得出了卸壓煤層氣地面井所受的基本外載力有軸向拉(壓)力、徑向外擠壓力、層間滑移剪切力以及它們的共同作用力，使得卸壓煤層氣地面井的破壞方式有軸向拉伸變形破壞、徑向擠壓變形破壞、層間剪切變形和錯(cuò)斷破壞、以及雙軸共同作用下的錯(cuò)斷破壞。研究結(jié)果對卸壓煤層氣地面井的穩(wěn)定抽采有著重要的意義。

卸壓煤層氣；地面井；破壞方式

卸壓煤層氣地面直井開發(fā)技術(shù)就是通過保護(hù)層的開采卸壓效應(yīng)使得上覆巖層發(fā)生移動變形，進(jìn)而使鄰近煤層出現(xiàn)大量裂隙而產(chǎn)生明顯的“卸壓增透增流”效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)煤層氣的大流量抽采，因此卸壓煤層氣地面直井抽采將是煤層氣開發(fā)的一個(gè)重要發(fā)展方向[1-2]。但是，卸壓煤層氣開發(fā)實(shí)踐中的井孔穩(wěn)定性問題極為突出，煤層氣井在短期抽采后便失穩(wěn)破壞而產(chǎn)氣中斷，所以卸壓煤層氣地面井的井孔穩(wěn)定性問題亟待解決，而研究煤層氣井的破壞方式是基礎(chǔ)，其對卸壓抽采煤層氣抽采的井位部署和井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化有著重要的意義，而探討這些問題的出發(fā)點(diǎn)是研究上覆巖層的移動變形特征。

1 卸壓開采覆巖移動變形特征

1.1 卸壓開采上覆巖層的“三帶”分布

煤層開采后，其上覆巖層要發(fā)生移動和變形。經(jīng)長期觀測證實(shí)：覆巖的移動變形具有明顯的分帶性，其分布特征與地質(zhì)、采礦等條件有關(guān)。在采用走向長壁全部跨落法開采緩傾斜中厚煤層時(shí)，只要采深達(dá)到一定深度，覆巖的破壞和移動便可出現(xiàn)三個(gè)具有代表性的部分，自下而上分別稱為：冒落帶、裂隙帶和彎曲帶[3]，一般將這三個(gè)部分簡稱為“三帶”，見圖1。

（1）冒落帶

冒落帶又稱垮落帶，是指脫離母體巖層，失去連續(xù)性，呈不規(guī)則或似層狀巨塊向采空區(qū)冒落的巖層。根據(jù)冒落巖塊的堆積形態(tài)，將冒落帶分為規(guī)則冒落帶和不規(guī)則冒落帶。冒落巖塊由于碎脹作用，體積較冒落前增大，而且由于其碎脹性而不斷填充開采空間，導(dǎo)致冒落帶向上發(fā)展至一定高度就自動停止。

圖1 覆巖破壞移動分帶示意圖

（2）裂隙帶

裂隙帶又稱為裂縫帶或破裂彎曲帶。裂隙帶是指位于冒落帶之上，具有與采空區(qū)連通的導(dǎo)水裂隙，但連續(xù)性未受破壞的那一部分巖層。裂隙帶的裂隙主要有兩種：一種是與巖層垂直或斜交的新生張裂隙，主要是巖層向下彎曲受拉而產(chǎn)生，這種裂隙可以部分或全部穿過巖石的分層，但其兩側(cè)的巖體基本沒有相對位移而保持層狀連續(xù)性；另一種是沿層面的離層裂隙，它主要是在巖層間力學(xué)性質(zhì)差異較大時(shí)，巖層的向下彎曲移動不同步所致。

（3）彎曲帶

彎曲帶又稱為整體移動帶，是指裂隙帶頂界到地表的全部巖層。彎曲帶中的巖層基本呈整體移動，特別是當(dāng)帶內(nèi)都是軟弱巖層或松散層時(shí)。在垂直剖面上，彎曲帶上下各部分的沉降差值很小，一般很少出現(xiàn)離層，但其下部可能產(chǎn)生少量離層，特別是在軟硬巖層交界處離層最易產(chǎn)生，而且這種巖層組合甚至在彎曲帶中上部也可能出現(xiàn)離層，但彎曲帶中的離層裂隙僅能局部充水而不能導(dǎo)水。

1.2 卸壓開采上覆巖層的移動形式

巖體受采動影響前都經(jīng)過了多次反復(fù)的地質(zhì)作用，形成了由結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面構(gòu)成的地質(zhì)體。根據(jù)觀測和研究的成果分析，在整個(gè)巖層移動的過程中，開采煤層上覆巖層移動的形式可概括為以下幾種：

（1）彎曲：這是巖層移動變形的主要形式。當(dāng)?shù)叵旅簩硬沙龊螅细矌r層中的各個(gè)分層即開始沿巖層層面的法線方向，向采空區(qū)依次彎曲。如果巖層在彎曲過程中所產(chǎn)生的拉伸變形超過了該種巖石的抗拉強(qiáng)度極限，則巖層內(nèi)將出現(xiàn)裂隙乃至斷裂而使巖層失去連續(xù)性，但巖層仍保持其層狀形式。

（2）冒落：巖體從整體巖層中分離并成塊狀破碎而垮落下來稱之為冒落，它是彎曲形式的發(fā)展。此時(shí)，巖層不再保持其原來的層狀形式。冒落是巖層移動過程中最劇烈的移動形式，它通常只發(fā)生在采空區(qū)直接頂板巖層中。直接頂板巖層垮落后，由于破碎而使其體積增大，充填采空區(qū)并促使其上部的巖層移動減弱。

（3）離層：采空區(qū)上覆巖層由于豎向移動變形的大小和速度不同而使巖層面之間或?qū)永砻嬷g產(chǎn)生的開裂現(xiàn)象稱為離層。離層的發(fā)生主要是由于頂板以上拉應(yīng)力達(dá)到層間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度所致，也可由拉剪作用形成不規(guī)則的離層。規(guī)模較大的離層是由于采動影響程度較大和巖層的抗彎強(qiáng)度不同而產(chǎn)生的。

（4）層間錯(cuò)動：這種移動方式是傾斜巖層或是巖層彎曲后在重力產(chǎn)生的沿層面下滑力的作用下，或者由于移動過程中相鄰巖層水平移動的大小或方向不同而使層面或?qū)娱g軟弱帶兩側(cè)的巖層產(chǎn)生相對滑移而造成的。這類破壞主要發(fā)生在不同巖層交界處或沿軟弱面，而且和巖層傾角關(guān)系密切，巖層傾角越大其沿層面的滑移越明顯。

這四種破壞形式的出現(xiàn)是由巖體本身的結(jié)構(gòu)特征、物理力學(xué)性質(zhì)和采動影響程度等共同決定的，從力學(xué)機(jī)理上可歸結(jié)為四種常見的破壞機(jī)制，即：張破壞、剪破壞、結(jié)構(gòu)體滾動和結(jié)構(gòu)體沿結(jié)構(gòu)面滑動。

2 卸壓煤層氣地面井的受力情況

地面鉆井是在井眼中下入各級套管并用水泥環(huán)封閉套管與井壁間的空間而形成的，地面鉆井的破壞實(shí)質(zhì)上是套管的損壞。卸壓煤層氣地面井套管失穩(wěn)破壞的直接原因是煤層開采引起的巖層移動變形，所以卸壓煤層氣地面井的受力主要是巖層移動變形施加于鉆井套管上的外載力。因此，依據(jù)巖層移動變形特征知，卸壓煤層氣地面井所受的基本外載力有軸向拉(壓)力、徑向外擠壓力、層間滑移剪切力以及它們的共同作用力。

（1）軸向拉（壓）力：煤層氣地面井的軸向拉力主要是由套管的自重和巖層移動變形引起的松散層疏水壓實(shí)、厚堅(jiān)硬巖層下部離層引起的，其中最重要的是離層形成的拉伸應(yīng)力。

套管受自重的拉伸力在所有油氣井都存在。自重引起的軸向拉力是由下而上逐漸增大的，在井口處，套管軸向拉力最大，其計(jì)算如下式[4]：

式中：q為套管名義單位平均重量(包括接箍在內(nèi))，kg/m；L為套管長度，m；T為井口處套管軸向拉力，kg。

考慮浮力時(shí)，套管柱在泥漿中的重量計(jì)算如下式：

式中：γm為泥漿密度，g/cm3；γs為套管鋼材密度，g/cm3；Tb為套管在泥漿中的重量，kg。

松散層的疏水固結(jié)沉降，理論上會對鉆井套管產(chǎn)生軸向壓力。在厚松散層發(fā)育區(qū)，煤層開采引起的巖層移動溝通了地層水力聯(lián)系，致使松散層中的水沿著導(dǎo)水裂隙排出。隨著大量松散層中水的流失，松散層中的有效應(yīng)力增大，松散層趨于壓實(shí)。由于套管固結(jié)在井筒中，所以套管隨固井水泥環(huán)一起變形。由于鋼的強(qiáng)度高，因而上覆巖層負(fù)荷集中于套管上，引起套管軸向壓縮應(yīng)力，并且松散層壓實(shí)的程度越大則鉆井套管受到的壓力就越大，如果施加于套管上的壓力超過了套管的極限強(qiáng)度，套管就會發(fā)生彎曲變形或者脆性破裂，但是這種情況在實(shí)際中很少發(fā)生。目前套管基本上能夠抵抗軸向壓縮變形。

巖層離層的發(fā)生使得鉆井套管受到了軸向拉伸力的作用。離層是采動覆巖移動變形的主要形式，是由于巖層的豎向變形和速度差異而產(chǎn)生的，主要發(fā)生于上下巖層巖性及厚度差異較大的地層之間，而且二者巖性和厚度差異越大則離層越明顯，套管所受的拉伸力就越大，套損的可能性就越大[5]，見圖 2。

圖2 卸壓開采覆巖離層與套管縮徑變形

（2）徑向擠壓力：主要是由于強(qiáng)大的地層流體壓力和易流變的泥巖、鹽巖在地應(yīng)力作用下蠕變產(chǎn)生的，常規(guī)油氣井套管很大一部分是受徑向擠壓力而破壞的。這種徑向擠壓破壞主要發(fā)生于地應(yīng)力較大的深部地層，而且這種力隨著時(shí)間的增加逐漸增大。卸壓煤層氣地面井的深度普遍較淺，因而煤層氣地面井不像石油天然氣井那樣會受到較大的擠壓力，雖然巖層移動的結(jié)構(gòu)體滾動和轉(zhuǎn)動也可以形成徑向擠壓力，但是這種擠壓力仍然較小，而且也不普遍，所以徑向擠壓力不是卸壓煤層氣地面井的主要破壞力。

（3）層間滑移剪切力：主要是由卸壓開采的層間滑移造成的。層間滑移是巖層移動的主要形式，因而套管受層間滑移剪切破壞也最普遍。層間滑移剪切力對卸壓煤層氣地面井的破壞是最重要的，受層間滑移剪切力破壞較嚴(yán)重的淮南礦區(qū)有90%以上的井孔因此被破壞。另外其對井孔的破壞程度最嚴(yán)重，受該力破壞的井孔大多被直接錯(cuò)斷而停止產(chǎn)氣。

（4）雙軸共同作用力：煤層開采造成的巖層移動變形非常復(fù)雜，所以施加于套管上的載荷不可能為單一的軸向拉力、徑向擠壓力或者剪切力，往往是諸多力共同作用的情況較多。雙軸作用力是指套管在受軸向力的同時(shí)，還受徑向上的擠壓力或者剪切力的作用。研究表明，當(dāng)有軸向載荷作用時(shí)，套管的抗擠抗剪強(qiáng)度大幅下降[6]，所以這種雙軸作用力對套管損壞影響很大。

3 卸壓煤層氣地面井破壞方式

常規(guī)油氣田開發(fā)中套管破壞主要是由于地應(yīng)力作用或是注水使泥巖段膨脹、蠕變而擠毀、剪毀套管，或是套管受化學(xué)、生物腐蝕作用受損的[7]。煤層氣地面直井的破壞可部分借鑒常規(guī)油氣井的套損經(jīng)驗(yàn)，但是兩者在破壞主因上存在較大的差異。煤層氣地面直井由于受到煤層采動引起的巖層移動的影響，套管的破壞方式主要體現(xiàn)在力學(xué)因素的損壞，其受力情況諸如以上所分析，因而與之對應(yīng)卸壓煤層氣地面井的破壞方式有下面四種：

（1）軸向拉伸力引起的變形破壞：這種破壞方式主要是由巖層采動的離層造成，其破壞形態(tài)主要是縮徑變形，如圖3所示。

（2）徑向擠壓力引起的變形破壞：破壞形態(tài)主要是橢圓形變形、徑向凹陷變形和彎曲變形。這種破壞方式目前不是卸壓煤層氣地面井的主要破壞方式，可以暫時(shí)不做重點(diǎn)考慮，但是以后隨著煤層氣井向深部發(fā)展，徑向擠壓力破壞將會轉(zhuǎn)變成煤層氣井破壞的主要方式，如圖4-6所示。

（3）層間剪切力引起的變形和錯(cuò)斷破壞：這是受上覆巖層的層間滑動造成的，破壞力較弱則為彎曲變形破壞，若破壞力較強(qiáng)則發(fā)生錯(cuò)斷破壞，見圖7。

（4）雙軸作用下的錯(cuò)斷破壞：在軸向拉力的作用下套管的抗擠抗剪強(qiáng)度下降，所以導(dǎo)致套管主要發(fā)生錯(cuò)斷破壞。

圖6 套管徑向凹陷變形（據(jù)劉合，2003）

圖7 套管錯(cuò)斷（據(jù)劉合，2003）

上述四種破壞方式中，對煤層氣井影響最大的是軸向拉伸破壞和徑向剪切破壞，以及二者的共同作用。同時(shí)，也可看出卸壓煤層氣地面井套管的破壞形態(tài)主要是錯(cuò)斷和變形兩種，并以錯(cuò)斷為主。套管錯(cuò)斷對煤層氣井的影響不必多說，而對于套管變形，由于一定程度的變形對氣井影響并不大，所以煤層氣井可以允許小幅度變形。但是套管的變形是隨著煤層的采動不斷地變化的，隨著采動的進(jìn)行，套管的輕微變形可能逐漸演變?yōu)閲?yán)重變形而影響產(chǎn)氣。另外，值得注意的是套管變形若是發(fā)生在套管接頭處，會使套管產(chǎn)生密封性破壞，可能導(dǎo)致水或者泥砂進(jìn)入井孔堵孔而停止產(chǎn)氣，所以變形也應(yīng)該引起足夠的重視。

卸壓煤層氣地面井的破壞除受軸向力、層間剪切力以及雙軸作用力外，也會像常規(guī)油氣井那樣受到化學(xué)腐蝕作用和機(jī)械磨損作用，但是相對于煤層開采造成的巖層及應(yīng)力的劇烈調(diào)整對井孔的影響而言太小，可以不作為重點(diǎn)研究對象。

4 結(jié)論

（1）受煤層采動影響，上覆巖層移動變形形式主要表現(xiàn)為彎曲、冒落、離層、層間滑移。

（2）依據(jù)巖層移動變形特征，卸壓煤層氣地面井所受的基本外載力有軸向拉(壓)力、徑向外擠壓力、層間滑移剪切力以及它們的共同作用力。

（3）根據(jù)卸壓煤層氣井的受力情況可知其破壞方式有：軸向拉伸變形破壞、徑向擠壓變形破壞、層間剪切變形和錯(cuò)斷破壞、以及雙軸共同作用下的錯(cuò)斷破壞，其中徑向擠壓變形破壞目前不是卸壓煤層氣地面井的主要破壞方式，可以暫不做考慮。

［1］ 夏紅春，程遠(yuǎn)平，柳繼平.遠(yuǎn)程覆巖卸壓變形及其滲透性研究[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26（1）：10-14.

［2］ Shuxun Sang,Hongjie Xu,Liangcai Fang,Guojun Li,Huazhou Huang.Stress relief coalbed methane drainage by surface vertical wells in china[J].International Journal of Coal Geology,2010,82(3-4):196-203.

［3］ 何國清，楊倫，凌賡娣，等.礦山開采沉陷學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1991.

［4］ 王仲茂，盧萬恒，胡江明.油田油水井套管損壞的機(jī)理與防治[M].北京：石油工業(yè)出版社，1994.

［5］ 孫海濤.采動影響下地面鉆井的變形破壞機(jī)理研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2008.

［6］ 郝俊芳，龔偉安.套管強(qiáng)度計(jì)算與設(shè)計(jì)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1987.

［7］ 宋治.油層套管損壞的原因及預(yù)防措施[J].石油鉆采工藝，1985（1）：9-22.

Failure M ode of SurfaceW ells of Pressure-relief Coalbed M ethane

LU Jun-ling,LIShu-chang

(Qinshui Lanyan Coalbed Methane Co.,Jincheng Coal Group,Qinshui Shanxi048200)

The paper introduces the deformation characteristics and analyzes the movement of overburden strata caused by pressure-relief mining.According to the working condition of surface well of pressure-relief coalbed methane(CBM)and CBM well,main failuremodes of the surfacewell are discussed.The author concludes that the basic external loads(including axial tension-compression loading,radial external pressure,slide shear stress between two neighboring layers)and their joint interaction causes the failure modes like axial tensile deformation,radial compressive deformation,sheer deformation and fault destruction between layers and fault under the joint action of dual axis.The results are significant for the stable drainage of the surfacewell of pressure-relief CBM.

pressure-relief coalbed methane;surface well;failuremode

TD325；TD54

A

1672-5050（2011）10-0025-04

2011-04-12

盧軍靈（1982—），男，河南濮陽人，本科，助理工程師，從事煤層氣地面開發(fā)技術(shù)方面的工作。

劉新光